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基于溫度荷載的加氣混凝土填充墻裂縫研究
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基于溫度荷載的加氣混凝土填充墻裂縫研究
姜安民??唐齊??董彥辰
湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，
中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院
加氣混凝土填充墻在框架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較為廣泛，可用于外墻、內(nèi)隔墻等部位。由于自然環(huán)境和人為因素的共同作用導(dǎo)致填充墻裂縫問題凸顯，形式主要以宏觀裂縫為主。外墻的美觀及滲漏問題受裂縫的直接影響。解決填充墻裂縫問題不但滿足了使用功能的要求，提高建筑產(chǎn)品質(zhì)量，還可以減少業(yè)主與施工單位之間的矛盾，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。以往人們多采用整體式模型對(duì)加氣混凝土填充墻溫度裂縫進(jìn)行模擬，雖然能對(duì)裂縫產(chǎn)生的位置在一定程度上進(jìn)行判斷，但無法確定墻體破壞位置為砂漿部分還是砌塊部分，這就給我們防治過程中帶來了很大難題；本文在一定理論研究基礎(chǔ)上采用分離式建模，這樣可以對(duì)裂縫出現(xiàn)的位置進(jìn)行相對(duì)較為準(zhǔn)確的判斷，從而制定一些相應(yīng)防治措施。
1 ?溫度裂縫的理論分析
結(jié)構(gòu)內(nèi)部約束應(yīng)力在結(jié)構(gòu)變形受到抑制時(shí)產(chǎn)生，溫度就是引起結(jié)構(gòu)變形的一個(gè)主要因素。如某懸臂梁長￡，一端自由、一端固定，在均勻溫差t0(升溫)作用下，梁自由伸長△L，內(nèi)部無應(yīng)力產(chǎn)生，伸長量△L=αt0L，ε=△L/L=αt0。將梁自由端固定，在溫度作用下其變形受到抑制，無位移產(chǎn)生，梁內(nèi)約束應(yīng)變?yōu)椋?/p>
ε=△L/L=αt0
將一彈性約束施加在自由端，約束施加后產(chǎn)生δ1大小變形量。梁內(nèi)約束應(yīng)力為：
如在夏季由于溫度作用屋面與頂層墻體有較大變形差，屋面變形受到抑制產(chǎn)生內(nèi)力反作用于墻體，使得墻體開裂。這種情況產(chǎn)生的裂縫主要為墻體頂部的八字形裂縫。可利用一維問題模型對(duì)此種情況進(jìn)行計(jì)算，將填充墻體看作地基，把頂板當(dāng)作地基上的彈性板，可由板的內(nèi)力而反算出墻體內(nèi)的應(yīng)力，根據(jù)結(jié)構(gòu)相互約束的基本假定：
其中，Cx為水平阻力系數(shù)；負(fù)號(hào)為剪應(yīng)力的方向與位移方向相反；f為墻體上邊緣的剪應(yīng)力；u為剪應(yīng)力處的墻體與頂板的相對(duì)位移。
通過對(duì)頂板取微體，列平衡方程并求解得：
相對(duì)于墻體來說，τ的方向和u是一致的，故取正號(hào)；
當(dāng)墻體與頂板材料不同時(shí)，αT=α2T2-α1T1。
其中，α為膨脹系數(shù)；α1為墻的膨脹系數(shù)；α2為頂板的膨脹系數(shù)；T為溫度差；T1為墻的溫差；T2是為頂板的溫差；L為墻體長度； t為墻體厚度，E為混凝土彈性模量，b為一面墻負(fù)擔(dān)的樓板寬度，h為頂板的厚度。
當(dāng)在墻體端部x=L／2處，有最大剪應(yīng)力：
當(dāng)知道墻厚t，墻體長度L，頂板厚h及墻板溫等參數(shù)時(shí)，便可以求出墻體端部最大剪切應(yīng)力。
2 ?墻體溫度裂縫的有限元分析
本文采用有限元軟件ANSYS對(duì)溫度進(jìn)行分析，春夏交替時(shí)填充墻裂縫頻發(fā)，隨著夏季到來天氣炎熱，陽光直射外墻，很多住戶采取制冷設(shè)施，這樣使得墻體兩側(cè)有較大的溫度差異。墻體外側(cè)溫度較高，同時(shí)內(nèi)側(cè)相對(duì)較低，這樣直接導(dǎo)致了墻體溫度變形不均，應(yīng)力集中，最終在墻體的薄弱處產(chǎn)生破壞，產(chǎn)生裂縫。綜合考慮以上因素，本文對(duì)平砌法和斜砌法兩片墻體兩側(cè)分別施加20℃/25℃，20℃/30℃,20℃/35℃,20℃/25℃，20℃/40℃，20℃/45℃，20℃/50℃六種溫度荷載，觀察墻體的應(yīng)力、應(yīng)變情況，判斷裂縫可能出現(xiàn)位置及開展情況。
2.1 ?一些基本假定
本文主要基于以下一些基本假定進(jìn)行有限元分析：
1)材料性質(zhì)不隨溫度變化而發(fā)生改變。2)引起填充墻裂縫的因素很多，本文目前主要研究溫度作用對(duì)其的影響。3)假定基礎(chǔ)與墻體底端剛性連接，考慮到填充墻受到框架結(jié)構(gòu)的約束，假定填充墻左右和上表面均不產(chǎn)生位移，墻體前后兩個(gè)面可產(chǎn)生位移。4)在本文中砌塊與砂漿接觸面考慮相對(duì)滑移。5)按線性關(guān)系施加溫差荷載。6)對(duì)結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力影響因素中附屬設(shè)施的影響在本文中不予以考慮。
基于以上假定進(jìn)行模擬，所得結(jié)果可能與實(shí)際情況有一定偏差，本文主要研究裂縫的開展位置，所以此偏差對(duì)本研究影響不大。
2.2 ?運(yùn)用ANSYS計(jì)算溫度荷載
1)分析單元。
本文分析主要使用的單元類型有結(jié)構(gòu)靜力分析單元Solid45、熱分析單元Solid70。
2)有限元計(jì)算模型。
本文采用Solid45單元模擬砌塊和砂漿，材料參數(shù)及模型尺寸見表1，表2。
運(yùn)用ANSYS建立分析模型如圖1所示。
3)計(jì)算結(jié)果分析。
加氣混凝土填充墻在受20℃/25℃，20℃/30℃,20℃/35℃,20℃/25℃，20℃/40℃，20℃/45℃，20℃/50℃六種溫度荷載作用時(shí)，墻體溫度變化如圖2所示。
從圖2我們可以看出，當(dāng)墻體兩側(cè)溫差達(dá)到5℃時(shí)，墻體產(chǎn)生的變形在云圖中顯示比較明顯，隨著墻體兩側(cè)溫度差由5℃增大到30℃，變形也隨之逐漸增大，由于砂漿材料和砌塊材料線膨脹系數(shù)的差別，灰縫處變形十分明顯，不同溫度荷載下墻體最大變形值見表3。
整理表3的溫度變形曲線，見圖3。
結(jié)果分析：由于砂漿線膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于砌塊，墻體最大變形值通常出現(xiàn)在灰縫砂漿處，由于加氣混凝土填充墻灰縫處砂漿與砌塊接觸面較為薄弱，砂漿變形增大使得接觸面應(yīng)力集中，所以通常先在墻體灰縫處發(fā)生破壞。我們從變形云圖中可以看出墻體四周灰縫變形相對(duì)較大，沿灰縫可發(fā)展成一些豎向裂縫和斜裂縫。
3 ?防治措施
通過上面模擬結(jié)果我們可以得出：加氣混凝土填充墻破壞通常產(chǎn)生在砌塊與砂漿接觸面，填充墻體四周通
基于溫度荷載的加氣混凝土填充墻裂縫研究 常先產(chǎn)生裂縫。針對(duì)以上結(jié)論給出一些相應(yīng)防治措施，具體如下：1)增大砂漿的密實(shí)、飽滿程度。采用專用砂漿進(jìn)行砌筑，在砌筑時(shí)用皮錘從豎直與水平兩個(gè)方向敲擊，擠出部分砌筑砂漿，同時(shí)擠壓了灰縫內(nèi)砂漿，讓砂漿輕微受壓，從而滿足砂漿和砌塊間有足夠的粘結(jié)面和粘結(jié)強(qiáng)度。2)合理設(shè)置拉結(jié)筋、構(gòu)造柱。填充墻應(yīng)沿框架柱全高每隔500 Him設(shè)2φ6拉筋，拉筋伸入墻內(nèi)的長度，根據(jù)抗震等級(jí)在6度，7度時(shí)不應(yīng)小于墻長的1／5且不小于700mm，8度，9度時(shí)宜沿墻全長貫通；構(gòu)造柱的設(shè)置應(yīng)根據(jù)墻體的長度而定，通常填充墻長度在3 m以上時(shí)開始設(shè)置，通過拉結(jié)筋構(gòu)造柱控制墻體整體變形。3)對(duì)特殊位置進(jìn)行處理。框架梁、柱與填充墻交界處可采用鋼筋網(wǎng)或碳纖維布對(duì)灰縫進(jìn)行加固；頂層樓蓋板應(yīng)做好保溫隔熱措施。
4 ?結(jié)語
溫度作用是引發(fā)加氣混凝土填充墻裂縫的重要因素之一，在工程應(yīng)用中多數(shù)墻體產(chǎn)生裂縫時(shí)砌塊材料未產(chǎn)生破壞。針對(duì)墻體裂縫防治過程中除考慮裂縫產(chǎn)生的位置、裂縫形式外，還應(yīng)考慮墻體材料破壞的先后，從而有針對(duì)性的從材料角度進(jìn)行控制；在加氣混凝土填充墻裂縫控制中，從材料、設(shè)計(jì)及施工三方面進(jìn)行控制仍然是防治裂縫的關(guān)鍵。
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